Il crollo catastrofico di materiali e strutture è l'inevitabile conseguenza di una reazione a catena di danni localmente confinati, da ceramiche solide che si spezzano dopo lo sviluppo di una piccola fessura a capriate spaziali metalliche che cedono dopo la deformazione di un singolo puntone.

In uno studio pubblicato questa settimana in Materiale avanzato , ingegneri dell'Università della California, Irvine e il Georgia Institute of Technology descrivono la creazione di una nuova classe di metamateriali meccanici che delocalizzano le deformazioni per prevenire il cedimento. Lo fecero rivolgendosi alla tensegrità, un principio di progettazione secolare in cui le barre rigide isolate sono integrate in una rete flessibile di cavi per produrre molto leggero, strutture autotensionanti a traliccio.

A partire da membri di 950 nanometri di diametro, il team ha utilizzato una sofisticata tecnica di scrittura laser diretta per generare cellule elementari di dimensioni comprese tra 10 e 20 micron. Questi sono stati costruiti in supercelle di otto unità che potrebbero essere assemblate con altre per creare una struttura continua. I ricercatori hanno quindi condotto modelli computazionali ed esperimenti di laboratorio e hanno osservato che i costrutti mostravano un comportamento di deformazione unico e omogeneo, privo di sollecitazioni eccessive localizzate o sottoutilizzo.

Il team ha dimostrato che i nuovi metamateriali presentano un miglioramento di 25 volte nella deformabilità e un aumento di ordini di grandezza nell'assorbimento di energia rispetto a disposizioni reticolari all'avanguardia.

"Le strutture di tensegrità sono state studiate per decenni, in particolare nell'ambito della progettazione architettonica, e recentemente sono stati trovati in un certo numero di sistemi biologici, ", ha affermato il coautore senior Lorenzo Valdevit, un professore UCI di scienza e ingegneria dei materiali che dirige l'Architected Materials Group. "I reticoli di tensegrità periodici corretti sono stati teoricamente concettualizzati solo pochi anni fa dal nostro coautore Julian Rimoli alla Georgia Tech, ma attraverso questo progetto abbiamo ottenuto la prima implementazione fisica e dimostrazione delle prestazioni di questi metamateriali."

Durante lo sviluppo di configurazioni strutturali per lander planetari, il team della Georgia Tech ha scoperto che i veicoli basati sulla tensegrità potevano resistere a gravi deformazioni, o cedimento, dei suoi singoli componenti senza crollare, qualcosa di mai osservato in altre strutture.

"Questo ci ha dato l'idea di creare metamateriali che sfruttassero lo stesso principio, che ci ha portato alla scoperta del primo metamateriale tensegrile 3D, " ha spiegato Rimoli, professore di ingegneria aerospaziale presso la Georgia Tech.

Reso possibile da nuove tecniche di produzione additiva, strutture convenzionali estremamente leggere ma resistenti e rigide basate su tralicci e tralicci su scala micrometrica sono state di grande interesse per gli ingegneri per il loro potenziale per sostituire più pesanti, sostanze solide negli aerei, pale di turbine eoliche e una miriade di altre applicazioni. Pur possedendo molte qualità desiderabili, questi materiali avanzati possono, come qualsiasi struttura portante, essere ancora suscettibili di distruzione catastrofica se sovraccaricati.

"Nei noti materiali nano-architettati, il fallimento di solito inizia con una deformazione altamente localizzata, " ha detto il primo autore Jens Bauer, un ricercatore UCI in ingegneria meccanica e aerospaziale. "Fasce di taglio, crepe superficiali, e l'instabilità di pareti e montanti in un'area può causare una reazione a catena che porta al crollo di un'intera struttura".

Ha spiegato che i reticoli del traliccio iniziano a collassare quando gli elementi compressivi si piegano, poiché chi è in tensione non può. Tipicamente, queste parti sono interconnesse in nodi comuni, nel senso che una volta che uno fallisce, il danno può diffondersi rapidamente in tutta la struttura.

In contrasto, i membri compressivi delle architetture tensegrili formano anelli chiusi, isolati l'uno dall'altro e collegati solo da elementi di trazione. Perciò, l'instabilità degli elementi di compressione può propagarsi solo attraverso percorsi di carico di trazione, che, purché non si rompano, non possono sperimentare instabilità. Spingere verso il basso su un sistema di tensegrità e l'intera struttura si comprime uniformemente, prevenire danni localizzati che altrimenti causerebbero guasti catastrofici.

Secondo Valdevit, che è anche professore di ingegneria meccanica e aerospaziale all'UCI, i metamateriali tensegrili dimostrano una combinazione senza precedenti di resistenza alla rottura, estremo assorbimento di energia, deformabilità e resistenza, superando tutti gli altri tipi di architetture leggere all'avanguardia.

"Questo studio fornisce importanti basi per la progettazione di sistemi ingegneristici superiori, dai sistemi di protezione dagli impatti riutilizzabili alle strutture portanti adattabili, " Egli ha detto.